飞翼飞机稳定性与操纵性研究

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1、第24卷第3期飞行力学Vol.24No.32006年9月FLIGHTDYNAMICSSep.2006飞翼飞机稳定性与操纵性研究马松辉，吴成富，陈怀民(西北工业大学无人机特种技术国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要:以某飞翼飞机为例，讨论了典型飞翼飞机的基本操稳特性和动态特性。并对飞翼布局飞机和常规布局飞机的主要气动导数作了对比研究，简要说明了二者在操稳特性上的不同之处及其产生的原因，为控制增稳系统的设计提供了依据。关键词:飞翼;无尾飞机;操稳特性中图分类号:V212.1文献标识码:A文章编号:1002-0853(

2、2006)03-0017-05机是一个升力面，这种设计符合全升飞行器(All-Lifting-Vehicle)的概念，即飞行器上所有的水平安飞翼飞机没有常规的机身和尾翼，所有部件都装部件都能够在全包线内成比例地提供升力。飞翼的大展弦比层流机翼可以有效地减小诱导阻力，而包含在一个翼身融合的机翼内，无尾和全翼是飞翼无尾布局又避免了尾翼带来的附加阻力。大的升力布局飞机的两个基本特征。历史上人们设计了很多飞翼布局飞机，如著名特性和小的阻力特性使得飞翼飞机一般具有很高的的Horten系列飞翼飞机、YB-49,A-12攻击机、B-2升

3、阻比，这是飞翼布局飞机的一个重要特征和优点，轰炸机、“暗星”无人机等[[J--4)，其中YB-49早在全机升阻比一般在25^30之间['J,FWX1的极曲1949年就已经问世，这些飞机由于种种原因大多都线如图1所示，从图1中可以看出FWX1最大升阻不是很成功，其中一个重要原因就是飞翼布局飞机比高达28,0R广的航向稳定性和纵向操纵性问题很难解决。唯有︶1.I0nB-2获得了巨大的成功，这得益于技术本身的发展OLeswe0AL和充足的研制经费。闷几厂勺!飞翼飞机由于特殊的构型，在操稳特性、动态特0夕卜曰性上与常规布局飞机有较

4、大差异。本文以某典型飞翼布局飞机FWX1(FlyingWingX1)为例，从控制一0.20.020.040.060.08的角度分析了飞翼布局飞机的基本操稳特性和动态CD特性。该飞翼飞机属于典型的后掠翼飞翼飞机，飞图1FWX1极曲线机具有类似于B-2的W型后缘。为了和常规飞机做对比研究，还给出了某一巡航飞行状态下常规布1.1.2俯仰特性/纵向静稳定性局飞机NAVION和Boeing747的基本动态特性[5l飞翼飞机的纵向静稳定性取决于重心的配置和翼型的选择，因为重心配置受限于结构重量，所以更1飞翼飞机动态特性多地在于翼型的选

5、择，大多数静稳定飞翼飞机的稳定性是通过气动方法(s形翼型)和机翼扭转的方法获得的[’，’〕。原则上说重心位置只要足够靠前，飞翼1.1纵向动态特性飞机总能配置成纵向静稳定的飞机，但是带有后掠1.1.1升力阻力特性角的箭形飞翼或者“△”形飞翼重心总是比较靠后飞翼飞机从气动外形上看，翼身融合，整体上飞的。有无水平尾翼，并不决定飞机的纵向静稳定性，收稿日期:2005-08-20;修订日期:2006-06-12作者简介:马松辉(1977-)，男，河南巩义人，博士研究生，主要从事飞行控制、导航制导、模式识别等研究。万方数据18飞行力学

6、第24卷但是无尾布局却影响焦点的位置，使焦点位置前移。这种“一前一后”使得飞翼飞机比常规布局飞机的纵向静稳定性差，而实际上飞翼布局飞机往往是中立稳定或者静不稳定的。决定俯仰静稳定性的另一个因素是零升俯仰力矩。只有当零升俯仰力矩为正(抬头力矩)时，纵向-卜月69静稳定的飞机才能在一个正的迎角处配平，并使得a/(0)配平舵面尽可能小。但是典型的机翼产生负的零升。丫(a)

7、俯仰力矩(低头力矩)，常规飞机正的零升俯仰力矩体36.2%MAC34.6%MAC是靠水平尾翼向下的安装角或者偏转获得的。飞翼33.00oMAC飞机没有水平尾翼

8、，正的零升俯仰力矩只能靠机翼31.4%MAC,(翼型)的设计来获得，但这是以减小升阻比为代价的，不利于升阻比的提高。实际上，负的零升俯仰力一0.11.eeeseseeee~1一一一-一-I二二r----i-一一一一J矩和纵向静不稳定特性同样能够使飞机在一个正的一3036912a/(0)迎角处配平，如图2所示。所以在零升俯仰力矩为(b)负时，飞翼飞机只有设计成静不稳定，才能够在一个图3俯仰力矩特性正的迎角处配平。把飞翼飞机设计成静不稳定的另从图2和图3可以看出，FWX1的升力曲线在一个好处是能够产生足够的抬头力矩(由于焦点在

9、a=8。左右进人非线性区，俯仰力矩曲线在6“左右出前)，改善飞机的起飞特性。现转折，也就是说飞翼飞机在小迎角处的升力特性和俯仰力矩特性发生改变。这造成飞行控制系统纵向稳定与控制的困难，需要进行迎角边界控制或者迎角调参，以及准确地测量迎角信号。暗星无人机飞行控制系统就有专门的迎角自动驾驶仪[[41来解决这